1to45

Multicooling, an independent laboratory, has developed an innovative cooling technology called Multicooling. The technology uses aeroionic cooling to cool electronic equipment. The lab has provided a detailed description of the technology on their website and has prepared a presentation to introduce it to IT professionals. The presentation covers topics such as the need for the new cooling technology in the IT industry, a new thermodynamic model for heat transfer, methods to increase the reliability of IT equipment, ways to reduce the cost of owning data centers, and specific equipment for generating aeroions. The technology aims to address the limitations of current cooling systems and improve the performance and reliability of IT equipment. Независимая лаборатория Multicooling завершила программу исследований и представляет вниманию IT-отрасли свой инновационный продукт, технологию Multicooling, аэроионную технологию охлаждения электронного оборудования. Подробное описание этой разработки представлено на сайте лаборатории, а для краткого предварительного ознакомления специалистов с различными аспектами теоретических и прикладных основ новой технологии и спецификой ее внедрения была подготовлена эта презентация. Далее последовательно будут рассмотрены следующие вопросы – оценка потребности IT-отрасли в новой технологии охлаждения, описание новой расширенной термодинамической модели теплопереноса, формирование специфических физико-химических механизмов увеличения надежности IT-оборудования, способы снижения совокупной стоимости владения дата-центрами, специфическое оборудование для генерации аэроионов, и в заключении будут обозначены наиболее перспективные направления внедрения новой технологии. Долгое время системы технологического кондиционирования оставались в тени тех грандиозных технических и технологических достижений, которые в последние десятилетия генерировала электронная промышленность. В деньгах эта диспропорция выглядит так – в 2023 году на системы охлаждения IT-оборудования было потрачено около 2 миллиардов долларов, на фоне 4,5 триллионов долларов, которые освоила вся IT-отрасль, доля кондиционерщиков представляется пренебрежимо малой величиной. Такая дискриминация не могла пройти для инновационной отрасли безнаказанно, внедрив вероятно еще во времена Маркони и Попова и узаконив национальными и международными стандартами процесс утилизации тепла от электронной аппаратуры воздухом со строго нормируемой и высокой влажностью разработчики IT-оборудования и систем кондиционирования невольно оказались перед комплексным термодинамическим барьером. Рост производительности систем охлаждения и уровень защиты электронного оборудования остановился, и остановился из-за фундаментальной причины – ущербности применяемой термодинамической модели теплопереноса. Такое положение дел, разумеется, не устраивало профессиональное сообщество. Последняя попытка решения проблемы была предпринята в 2011 году, когда американский технический комитет ASHRAE опубликовал директиву по микроклимату для дата-центров. В этом документе была введена классификация IT-оборудования и назначены расширенные, по сравнению с нормами стандарта TI-942, допустимые диапазоны для температуры и влажности охлаждающего воздуха. Однако считать эту директиву решением проблемы можно лишь в минимальной степени, так как собственно термодинамическая модель отвода избыточного тепла от электронных компонентов осталась в этом документе прежняя. В методологическом плане новая директива оказалась пространным, ориентированным на специфическую прикладную задачу, вольным изложением принципа Парета для оптимизации многокритериальных систем, то есть Комитет по стандартизации очевидный факт, что производительность системы охлаждения и частота отказов IT-оборудования являются конфликтующими целевыми функциями, и что эффективные режимы охлаждения аппаратуры доступны лишь в ограниченной области Парета фронта. В прикладном смысле эта ситуация для систем воздушного охлаждения оформилась в форме ограничения на максимальное количество тепла, утилизируемом с одной серверной стойки. Альтернативное направление в системах охлаждения – жидкостное охлаждение – оказалось в аналогичной ситуации из-за своих конфликтующих параметров. Правда, надо отметить, что производительность таких систем на порядок выше. Изучив природу и последствия возникновения конфликтующих целевых функций в технологическом процессе охлаждения электронных устройств разработчики технологии Multicooling подвергли коренному пересмотру унаследованные решения и разработали расширенную, а точнее сказать полную физическую модель утилизации тепла, вместо косвенного и ограниченно эффективного метода борьбы с электростатическими разрядами через увлажнение воздуха и формирование токопроводящих водяных микропленок был выбран механизм прямой дионизации очагов образования статических зарядов за счет эмиссии в охлаждающий поток дополнительных синтезированных аэроионов с положительным зарядом. Введение в состав управляемых технологических параметров системы охлаждения новой переменной концентрации положительных аэроионов радикальным образом изменило все традиционные функциональные взаимосвязи между прочими физическими параметрами и правила их назначения. Во-первых, надо отметить, что прямая дионизация синтетическими аэрокатионами обеспечила полную, стопроцентную защиту оборудования от электростатических зарядов. Стандартная водяная технология обеспечивает защиту лишь на 75%. Во-вторых, каждый физический параметр, участвующий в формировании тепловых потоков, стал независимой переменной и тем самым превратился в эффективный мультипликатор общей производительности системы охлаждения IT-оборудования. На этом слайде показан прототип системы охлаждения некоего перспективного суперсервера с тепловыделением до 360 кВт с 18 юнитов. Этот феноменальный результат достигнут благодаря сочетанию двух уникальных особенностей технологии мультикулинг. Значение каждого параметра назначалось независимо от других переменных, а рост итоговой производительности формировался последовательным доумножением вклада каждого частного физического фактора. Кстати, именно этот эффект умножения или мультипликации и определил название новой технологии. Для более предметного рассмотрения прикладных задач, связанных с технологией мультикулинг, необходимо немного подробнее представить некоторые вопросы функционирования ионизированного газообразного рабочего тела в системе охлаждения. Первое, новая технология сохранила все положительные свойства классического способа воздушного охлаждения – масштабируемость, универсальность, экономичность, надежность. Кстати, имеет смысл упомянуть, что системы жидкостного охлаждения такими качествами не обладают. Вторая уникальная особенность технологии мультикулинг – это саморегуляция. После достижения определенного уровня концентрации синтезированных аэрокатионов обеспечивается безусловная полная нейтрализация электростатических зарядов при любых скоростях потока охлаждающего газообразного рабочего тела. Главным инструментом технологии мультикулинг является прямая дионизация. На этом слайде проиллюстрировано естественное трибоэлектрическое взаимодействие между электрически нейтральным охлаждающим воздушным потоком и диэлектриком. Термин «трибоэлектрический» определяет некое электрическое взаимодействие, инициированное процессом трения от греческого триба. В результате механического взаимодействия молекула газа теряет электрон и получает положительный заряд, а на диэлектрике в зоне ионизации этот электрон создает избыточный отрицательный заряд. При постоянном протоке газообразного охлаждающего рабочего тела такой процесс ионизации многократно повторяется, и величина статического заряда может достигнуть критического значения. Критическое значение – это электростатический разряд на ближайший проводник с высокой вероятностью повреждения смежных электронных компонентов. В технологии мультикулинг подобная ситуация невозможна, для этого в охлаждающее газообразное рабочее тело производится принудительная эмиссия положительных аэроионов – аэрокатионов. При достижении эффективного уровня концентрации таких аэрокатионов процесс ионизации полностью синхронизируется с процессом дионизации, в рамках которого только что образовавшийся на диэлектрике статический заряд нейтрализуется в процессе рекомбинации с ближайшим синтетическим аэрокатионом. Мы намеренно повторно обращаем внимание на такое свойство как саморегуляция. Именно благодаря ему охлаждающий поток всегда с синхронной интенсивностью и создает статические заряды, и доставляет синтетические аэрокатионы в зону их рекомбинации. Причем важно отметить, что избыточные аэрокатионы, не проучаствовавшие в процессе дионизации и никоим образом не оказывают негативного влияния на ионный баланс внутри электронного устройства, а просто сбрасываются во внешнюю среду. При общем представлении технологии мультикулинг было сказано, что она не только создает условия для феноменального прироста производительности, но и дополнительно может радикально повысить надежность IT-оборудования. Наиболее значимый вклад в снижение частоты отказов вносит переход технологического процесса теплопереноса в зону сухой атмосферной коррозии. Для директивы АШРА эта миграция по очевидным причинам невозможна. А технология мультикулинг свободна от подобных ограничений и полностью работоспособна даже в полностью дегидрированной атмосфере. Первым и очевидным результатом использования глубоко осушенного воздуха можно считать прекращение формирования водных электролитических микропленок на компонентах электронных устройств. В таких условиях процесс атмосферной и биологической коррозии полностью прекращается. По аналогичной причине нейтрализуется еще один негативный процесс – рост дендритов. Дендриты представляют собой металлические нити или кристаллы, которые растут на поверхности металла в виде древовидных структур. Механизм роста дендритов носит электрохимический характер. То есть для роста дендритов требуется наличие электролита и электрического напряжения. Отсутствие в воздухе влаги, а следовательно, и электролита на защищаемой поверхности, полностью блокирует развитие дендрита. 1 июля 2006 года в Европе и Азии вступили в силу экологические нормы-директивы о сокращении содержания вредных веществ в окружающей среде. Эти нормы потребовали, в том числе, полного удаления свинца из электронной промышленности. Проблемным свинец-содержащим материалом здесь оказались покрытия типа ПОС, сплавы олова со свинцом. Одновременно с удалением свинца из сплавов вновь обострилась проблема роста оловянных усов. Усы или вискеры от английского viscous – это нитевидные кристаллы, которые самопроизвольно прорастают на чистом оловянном покрытии, нанесенном на медную подложку. Точной и общепризнанной физической модели формирования вискеров в настоящее время нет, но есть однозначно установленный факт – необходимым условием роста усов является термоциклическое воздействие. Технология Multicooling за счет свободного и точного управления скоростью движения охлаждающего воздуха позволяет построить систему с минимальными флуктуациями температуры компонентов охлаждаемых устройств и, следовательно, максимально индибировать образование усов. И еще раз напомним, что главный инструмент технологии Multicooling – прямая дионизация – обеспечивает полную защиту электроники от электростатических разрядов. Подводя итог этой части презентации, можно сказать, что на основе технологии Multicooling может быть создано IT-оборудование с теоретически максимальной надежностью. Вне поля деятельности новой технологии осталась только одна причина отказов электронных устройств – естественное старение, но этот фактор объективно не устраним. Старение – суть роста энтропии – это проявление второго закона термодинамики, что является неотъемлемым фундаментальным свойством нашего мира. От высокой науки вернемся к вещам материальным. Для владельцев и операторов дата-центров большой интерес может представлять технология Multicooling как инструмент снижения совокупной стоимости владения в их деятельности. Потребление электроэнергии на собственно процессы ионизации воздуха пренебрежимо малы и составляют около половины ватта на киловатт потребления IT-оборудования. В Multicooling дата-центрах полностью отсутствует потребность в воде. Для дата-центров с прямым фрикулингом внедрение ионизации может на 90% повысить эффективность системы фильтрации воздуха. Существует устойчивый стереотип, что реализация инновационной технологии традиционно требует нового и уникального аппаратного обеспечения. С технологией Multicooling это не так, а и районные установки любой производительности могут быть скомпонованы из доступных элементов в широком ассортименте представленными на рынке. Для крупных дата-центров рекомендуется использовать высокопроизводительные шины-ионизаторы. Сейчас такие анатроны используются в полиграфии, производстве полимерных пленок и упаковочных материалов. Важно отметить, что при выборе места размещения подобных устройств нужно учитывать наличие на их открытых электродах высокого напряжения до 10 кВт. В малых серверных целесообразно использовать компактные вентиляторные анатроны. Представленное на слайде устройство изготавливается для оборудования рабочих мест монтажников электронной аппаратуры. Эти устройства уже имеют необходимую защиту и дополнительные мероприятия в части техники безопасности не требуются. Ну а самое логичное и эффективное решение это интеграция миниатюрного анатрона непосредственно в IT-устройство. Во вновь проектируемом сервере должен быть предусмотрен отсек для размещения дополнительного компактного высоковольтного устройства. И организована эффективная эмиссия аэрокатионов во все проблемные зоны IT-устройства. В заключительной части презентации рассмотрим формальные и специфические особенности внедрения технологии Multicooling. Важнейшая характеристика любой технической системы – это ее санитарная безопасность. Экспериментально установлено, что верхний допустимый уровень ионизации воздуха по санитарным нормам соответствует потребной концентрации аэрокатионов для эффективной дионизации и в рамках технологии Multicooling. Для справки, 50 000 аэроионов в кубическом сантиметре образуются в природе в естественных условиях, например у подножия водопада. Электробезопасность – обязательный атрибут любой электроустановки. На аэроионное оборудование Multicooling такое заключение было получено. Для работы в тандеме с IT-устройствами оборудование Multicooling должно обладать соответствующей электромагнитной совместимостью. По заключению специализированной испытательной лаборатории с этим полный порядок. И собственно, о внедрении. Все современное серверное оборудование, эксплуатируемое в дата-центрах, полностью совместимо с технологией Multicooling. Внедрение этой технологии охлаждения может быть эффективным и при строительстве новых дата-центров и в рамках модернизации. И в первом и во втором случаях гарантированно будет достигнуто определенное снижение совокупной стоимости владения. Более глубокая и более эффективная интеграция технологии Multicooling в IT-отрасль может быть достигнута при разработке нового поколения серверов и телекоммуникационного оборудования. В этом случае можно ожидать улучшения эксплуатационных параметров сразу по двум направлениям – рост надежности и рост производительности. Рост производительности, задекларированный на предыдущем слайде, подразумевает внедрение новых энергоемких компоновочных решений на имеющейся элементной базе. Но феноменальный потенциал технологии Multicooling в части локальной и интегральной производительности может послужить платформой и для новой трансформации, если не революции, в части проектирования чипов и чиплетов. Имеется в виду, что в перспективе, по мере роста размеров и энергонагруженности чиплетов они могут трансформироваться в своеобразные гиперпроизводительные материнские платы. Все базовые технические решения, заложенные в технологию Multicooling, признаны изобретением и защищены патентом Российской Федерации. Правообладатели этой интеллектуальной собственности приглашают к сотрудничеству разработчиков серверов, телекоммуникационного оборудования и дата-центров и объявляют о готовности заключать взаимовыгодные лицензионные соглашения.